Компьютерный анализ LC-автогенератора по схеме автотрансформаторной обратной связью на полевых транзисторах

МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ 

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧЕРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕЕ  ПРОВЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ

ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ФГБОУ ВПО  ВГТУ 
 
 

Кафедра: Радиоэлектронные устройства и системы 
 
 
 
 
 
 

КУРСОВОЙ  ПРОЕКТ 

По дисциплине: Схемотехника электронных средств 

Тема: компьютерный анализ LC-автогенератора по схеме автотрансформаторной обратной связью на полевых транзисторах 
 
 
 
 
 
 

Выполнил: студент группы РК-092       Шульгин Д.А.

Проверил: профессор         Мушта А.И. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Воронеж

     Техническое задание на курсовое проектирование

1. Номер варианта N=4
2. Тип LC-автогенератора: LC-автогенератор с автотрансформаторной обратной связью
3. Тип усилительного элемента: полевой транзистор – FN4393
4. Частота генерации – = 12,135 МГц
5. Диапазон температур от -29 до 34
6. Напряжение выбирать в пределах 5-12 В.

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Содержание: 

1. Введение……………………………………………………………………………….4

2. Принципиальная электрическая схема автогенератора………….………………….6

3. Получение  гармонических колебаний…………………………………………….…7

4. Определение  спектрального состава генерируемых колебаний…………….………8

5. Исследование влияния температуры на частоту генерируемых колебаний……….9

6. Исследование  влияния напряжения питания на  частоту генерации колебаний….10

7. Исследование влияния положения рабочей точки на частоту генерации колебаний...................................................................................................................11

8. Исследование влияния напряжения положительной обратной связи на генерацию колебаний………………………………………………………………………………...12

9. Заключение…………………………………………………………………………….13

10. Библиографический  список…………………………………………………………14 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     1. Введение 

     Электроника прочно вошла в самые различные  сферы нашей деятельности.

Область применения различных устройств, просто огромна – от наручных электронных  часов до телевизора и радиоприемника; от электронного зажигания в автомобилях до сложнейших автоматических технологических линий, от бытовых нагревательных приборов до сверхмощных компьютеров. С помощью специальных электронных устройств можно придать электродвигателям желаемые характеристики, обеспечить наиболее благоприятное протекание переходных процессов, преобразовать электрическую энергию из одного вида в другой (из переменного напряжения в постоянное, или постоянное напряжение преобразовать гармонические колебания заданной частоты) и решать целый ряд таких задач которые другими способами либо вообще не решаются, либо решаются со значительно большими затратами.

      В радиоэлектронной аппаратуре широко применяются  автогенераторы в приемных, передающих и преобразующих устройствах.

      Автогенератор – это  устройство, преобразующее  энергию источника постоянного  напряжения (тока) в энергию колебаний  заданной формы. В отличие от устройств, работающих под воздействием внешних сигналов, автогенераторы работают в режиме самовозбуждения. Автогенератор представляет собой узкополосный усилитель, охваченный в цепь положительной обратной связи (часть выходной энергии подается на вход). В зависимости от формы выходных колебаний различают автогенераторы гармонических и импульсных колебаний.

      Основные  требования, предъявляемые автогенераторам:

- диапазон  частот генерируемых колебаний

- характер  изменения частоты

- нестабильность  частоты и фазы генерируемых  колебаний

- уровень  побочных спектральных составляющих

      Существуют  три варианта схем реализации автогенераторов:

- с трансформаторной (или индуктивной) обратной связью

- с автотрансформаторной  обратной связью

- с емкостной  обратной связью 

В этих вариантах схем используются как  биполярные, так и полевые транзисторы  в качестве усилительного элемента. Для обеспечения возможности  перехода от режима усиления к режиму генерации колебаний значения амплитуд и фаз напряжения положительной  обратной связи достаточно точно  должны повторять величины амплитуд и фазы выходного напряжения. Физический смысл баланса фаз заключается  в том, что для обеспечения  генерации колебаний с частотой необходимо обеспечить сумму сдвигов  в автогенераторе на частоте равной . Физический смысл баланса амплитуду заключается в том, что энергия, развиваемая в колебательной системе автогенератора должна быть больше энергии потерь.

   Целью данного курсового проекта является компьютерный анализ LC-автогенератора гармонических ВЧ колебаний на полевом транзисторе FN4393  автотрансформаторной обратной связью в САПР OrCAD. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     2. Принципиальная электрическая схема автогенератора 

     Рисунок 1 – Принципиальная электрическая  схема автогенератора 

      На  рис. 1 представлена принципиальная схема  LC-автогенератора с автотрансформаторной обратной связью на полевом транзисторе. Колебательный контур, образованный индуктивностями L1, L2 и CK, включён в цепь стока транзистора J1. Автотрансформаторная обратная связь осуществляется с помощью индуктивности L2, подключённой к затвору полевого транзистора. Начальное смещение, обеспечивающее первоначальное положение рабочей точки обеспечивается резисторами R1 и R2. Конденсатор C1 обеспечивает подведение напряжения обратной связи без потерь. Элементы R3, C2 образуют цепь истоковой стабилизации рабочей точки транзистора. Конденсатор C4 и резистор R4 образуют развязывающий фильтр.

      Для выполнения следующего этапа необходимо использовать программу PSpice A/D, которая запускается нажатием пиктограмму – Simulate. Эту же процедуру нужно использовать и для остальных этапов. 
 
 
 
 
 

3. Получение гармонических колебаний 

Рисунок 2 – Гармонические колебания 

      Для анализа формы генерируемых колебаний  производится вывод значения напряжения на стоке транзистора J1. Для ускорения данной процедуры устанавливается маркер напряжения .

      В результате расчета получается временная  диаграмма, представленная на (Рисунок 2 – Гармонические колебания). Из диаграммы видно, что форма генерируемых колебаний близка к синусоидальной, а разница между амплитудами  не значительна. 
 
 
 
 
 
 
 
 

     4. Определение спектрального состава генерируемых колебаний 

 

Рисунок 3 – Спектральный состав 

      Для исследования спектра генерируемого  сигнала необходимо из временной  диаграммы исключить участок  переходного процесса. Спектральный состав генерируемых колебаний рассчитывается с помощью быстрого преобразования Фурье (Рисунок 3 – Спектральный состав). На спектральной диаграмме кроме  первой гармоники отмечены так же более высокие гармонические  компоненты генерируемого колебания. Для выполнения данного этапа необходимо выполнить следующие действия: в программе PSpice A/D выбрать пиктограмму    Fourier –    затем нажать пиктограмму Toggle cursor – , затем при помощи пиктограммы Cursor Peak – , выбрать точки максимумов имеющихся гармоник и при помощи пиктограммы Mark label – , установить их значения, те же действия выполняются и для других этапов. 
 
 
 
 
 
 
 

5. Исследование влияния температуры на частоту гармонических колебаний 

 

Таблица 1 – Температурная зависимость 

     Оценка  влияния температуры на частоту  генерируемых колебаний производится путем расчета спектра при  значении температуры от -29 до 34. Результат исследования температуры сведены в (Таблице 1 – Температурная зависимость). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     6. Исследование влияния  напряжения питания  на частоту генерации  колебаний 

 

Рисунок 4 – Зависимость от напряжения питания 

        Исследование влияния напряжения питания на частоту генерируемых колебаний производится при изменении текущего значения атрибута источника V1 «DC». На (Рисунок 4 – Зависимость от напряжения питания) приведена спектральная диаграмма колебаний при напряжении питания 9В. В результате изменения напряжения питания смещается рабочая точка транзистора, а так же изменяются его параметры. С учетом условия баланса фаз это ведет к изменению частоты генерации. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     7. Исследование влияния  положения рабочей  точки на частоту  генерации колебаний 

 

Рисунок 5 – Зависимость от положения  рабочей точки 

      Для исследования влияния положения  рабочей точки на частоту генерации  колебаний необходимо изменить её. Это произойдет, например, при уменьшении значения сопротивления резистора  R2. На (Рисунок 5 – Зависимость от положения рабочей точки) представлена временная диаграмма затухающих колебаний при значении сопротивления R2 1кОм. При смещении рабочей точки в область меньшей крутизны характеристики транзистора происходит генерация затухающих колебаний. 
 
 
 
 
 
 

     8. Исследование влияния  напряжения положительной  обратной связи  на генерацию колебаний 

Рисунок 6 – Зависимость от положительной  обратной связи 

      Для исследования влияния обратной связи  на генерацию колебаний потребуется, например, уменьшить значение индуктивности  L2 или понизить коэффициент связи в модели сердечника «COUPLING», либо выполнить обе процедуры, аналогичный результат получается при изменении параметров индуктивности L1 или повышения коэффициента связи. Данные действия приводят к уменьшению напряжения обратной связи и затуханию колебаний (Рисунок 6 – Зависимость от положительной обратной связи). Результат получен при значении индуктивности L2, равном 5нГн, и коэффициентом связи, составляющим 0,1.